對比分析熱泵熱水器換熱盤管內(nèi)置與外置性能

摘要：空氣源熱泵熱水器儲水箱主要由內(nèi)膽、外膽、換熱盤管、保溫材料等組成。其中換熱盤管在熱泵系統(tǒng)中起冷凝器的作用，高溫高壓氣體冷媒通過換熱盤管將熱量傳遞給水，溫度升高，如此循環(huán)制得熱水?？諝庠礋岜脽崴鞲鶕?jù)盤管結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)置盤管式熱泵熱水器、外置盤管式熱泵熱水器。本文就一種應(yīng)用于內(nèi)置盤管熱泵熱水器的不銹鋼水箱的技術(shù)作詳細(xì)介紹。 　　一、引言 　　目前，一種應(yīng)用于熱泵熱水器的內(nèi)置不銹鋼盤管熱泵水箱(專利號：201420041158.9)在黃石東貝太陽能公司被研發(fā)成功，并申請了多項專利保護。 　　儲水箱作為熱泵熱水器的主要部件，對熱水器的性能起到重要的作用，其主要體現(xiàn)在水箱的換熱性能（內(nèi)置冷凝器）、保溫性能、熱水輸出率，內(nèi)膽的防腐性能。而目前市場上外置盤管搪瓷水箱、滾塑水箱都存在很多的質(zhì)量缺陷，比如：外置盤管換熱效果差、搪瓷水箱的漏搪、熱脹冷縮易出現(xiàn)裂搪、必須采用陽極鎂棒進行保護、陽極鎂棒消耗后的沉浸物會影響水質(zhì)使用，國內(nèi)各地區(qū)水質(zhì)的差異性導(dǎo)致鎂棒很難做好監(jiān)測和售后服務(wù)。我司生產(chǎn)的不銹鋼承壓水箱具有可承壓、衛(wèi)生、換熱效果好、防腐性強（防腐專利號：201220394501.9）、壽命長等優(yōu)點成為熱泵熱水器，壁掛爐供暖熱水系統(tǒng)，以及太陽能熱水系統(tǒng)的首選。 　　二、盤管內(nèi)置、外置性能比較分析： 　　1、換熱效率 　　換熱效率是換熱水箱的一個重要指標(biāo)，它影響著熱泵熱水器的性能系數(shù)與能效比（即COP值）。 　　目前熱泵熱水器家用機中，水箱換熱器以盤管式結(jié)構(gòu)為主。從盤管材質(zhì)上分類主要有：銅盤管、鋁制盤管和不銹鋼盤管三種；從盤管結(jié)構(gòu)上分主要有：外置盤管和內(nèi)置盤管兩種。其中外置盤管熱泵熱水器，由于盤管是盤繞在內(nèi)膽的外壁，水箱換熱時盤管中的熱量必須經(jīng)過內(nèi)膽壁才能傳遞給水，多出了一個熱傳導(dǎo)過程，傳熱效率較低。 　　特別是對于搪瓷水箱，盤管中的熱量經(jīng)過了內(nèi)膽壁、搪瓷層兩次熱傳導(dǎo)，每次熱傳導(dǎo)都有熱阻，且搪瓷層屬于非金屬材料，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于金屬材料，所以外置盤管搪瓷熱泵水箱的傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)置不銹鋼盤管熱泵水箱。 　　另在熱泵系統(tǒng)的設(shè)計中，冷凝器（盤管）的大小，是根據(jù)壓縮機的匹配進行選型，冷凝器（盤管）面積過大導(dǎo)致壓縮機潤滑油難以返回，燒壞壓縮機；冷凝器（盤管）面積過小導(dǎo)致冷凝器溫度過高，壓縮機易出現(xiàn)跳機，縮短了壓縮機的使用壽命。故外置盤管熱泵水箱要想達(dá)到內(nèi)置盤管熱泵水箱相同的換熱量，即使增大盤管換熱面積也不可能達(dá)到內(nèi)置盤管熱泵水箱的換熱效率和能效比（COP值）。 　　對于銅盤管外盤纏繞在內(nèi)膽上的方式，一般分為三種，一種是傳統(tǒng)圓管外盤管，一種是D型外盤管，另外一種是凹槽型外盤管。對于傳統(tǒng)圓管外盤管而言，水箱內(nèi)膽與盤管線面接觸，有效換熱面積非常??；對于D型外盤管而言，水箱內(nèi)膽與盤管面面接觸，接觸面比線面接觸好，但有效換熱面積依然較小，熱量傳遞速度慢，能效比很低，且銅管由于不斷地?zé)崦浝淇s變化，時間長了外盤管與水箱內(nèi)膽的接觸緊密度也隨之產(chǎn)生變化，換熱效果逐年下降，且D型管的兩個邊角因受力不均在長期的熱脹冷縮作用下容易破裂；對于凹槽型外盤管而言，它需將水箱內(nèi)膽壓成波浪型，銅管盤在凹槽內(nèi)，相對比D型管的接觸面積有所提高，但最大接觸面積也只有50%。始終還是隔著水箱內(nèi)膽換熱，能效比還是不理想，而且因水箱內(nèi)膽壓槽工藝的需要，內(nèi)膽變薄了，壓槽過程也會影響焊接口的質(zhì)量，影響水箱內(nèi)膽的壽命。 　　在制作過程中銅盤管外盤內(nèi)膽方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，不僅要求盤管與水箱內(nèi)膽緊貼，還要注意盤管間距，管間距太小，冷凝管利用效率較低，管間距太大則冷凝換熱面積不夠；為了增強薄壁管與內(nèi)膽水箱的換熱，就需要單根盤繞密度高，這回造成冷凝器系統(tǒng)過長，內(nèi)側(cè)流動阻力較大，從而導(dǎo)致制冷介質(zhì)在薄壁銅管中的流速較低，換熱效果大大的降低； 　　而內(nèi)置盤管熱泵熱水器，是將盤管（即冷凝管）直接放置于水箱內(nèi)膽中，熱交換管整體與水接觸，管壁完全參與換熱，傳熱溫差較小，冷凝側(cè)壓力相對較低，不會影響到壓縮機的使用壽命相同管長的換熱管有效換熱面積高，其換熱效率較好；且盤管的外管壁完全與水接觸，無論何種管型，傳熱效率均比較高； 　　下面是外置盤管的熱阻與內(nèi)置盤管的熱阻性能的比較計算： 　　對內(nèi)置盤管式熱泵熱水器，以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計算式為： 　  　　式中，R為盤管螺旋的曲率半徑，Nu為努賽爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)， Pr為普朗特數(shù)，p為流體密度，u1為管內(nèi)流速，u為運動粘度。 　　內(nèi)置盤管式熱泵熱水器和外置盤管式熱泵熱水器的熱阻比較： 　　從上式可以看出，外置盤管式的熱阻遠(yuǎn)要大于內(nèi)置盤管式的熱阻，即外置盤管式的換熱性能要比內(nèi)置盤管式差很多。上式同時說明了，外置盤管式的熱阻相比內(nèi)置式，多了內(nèi)膽的導(dǎo)熱熱阻，而原來的盤管外的對流熱阻變成了內(nèi)膽內(nèi)部的對流熱阻，性能也有一定的下降。如果是搪瓷水箱，水箱內(nèi)膽中增加了搪瓷層，而搪瓷層屬于非金屬，熱阻更大，使熱泵水箱盤管的換熱性能更差，整個系統(tǒng)的加熱時間就會變得更長。 　　2、對壓縮機使用壽命的影響 　　壓縮機在熱泵系統(tǒng)中起著決定性因素，它直接影響著整個系統(tǒng)的COP值。而外置盤管熱泵水箱因為其自身因素，傳熱效果不好，且盤管被水箱中的保溫層所包圍，系統(tǒng)運行過程中盤管中的冷媒長期處于高溫狀態(tài)，這樣會導(dǎo)致壓縮機吸、排氣溫度較高而過載，長期下去將會使壓縮機的壽命嚴(yán)重縮短。 　　而大部分熱泵生產(chǎn)廠家解決此現(xiàn)象的辦法就是將壓縮機所使用的冷媒充注量減小，這樣的解決方法，經(jīng)過研究與分析，將會導(dǎo)致由于沒有足夠的制冷劑參與熱泵系統(tǒng)的循環(huán)，因此熱泵機組中的蒸發(fā)器吸熱量小，系統(tǒng)的整個加熱時間就會變長。而對壓縮機來說，當(dāng)制冷劑沖入量少時，其流量也會隨之減小，而蒸發(fā)器的過熱度大，使得吸氣溫度升高，吸入蒸氣比容增大；吸氣溫度升高，吸入蒸氣比容增大又會引起壓縮熱增大，致使排氣溫度升高，從而導(dǎo)致壓縮機發(fā)熱，引起壓縮功能增大，耗電量增大，這對系統(tǒng)壽命是很不利的，同時對節(jié)能也是不利的，嚴(yán)重的影響了熱泵機組的COP值。 　　三、防腐性能分析： 　　 內(nèi)置換熱器的換熱效果比外置換熱器的效果好，我們以上已經(jīng)有了論述。而市場上大部分的熱泵水箱都是外盤，這是什么原因呢？經(jīng)過我們調(diào)查與分析，了解到最主要的一個因素就是其生產(chǎn)廠家不能有效的解決內(nèi)置盤管長期浸入在水中而引起的腐蝕現(xiàn)象，特別是在水質(zhì)比較差的地區(qū)，腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。比如在河南伊川等地內(nèi)置盤管水箱幾乎百分之百的會出現(xiàn)因盤管穿孔腐蝕而導(dǎo)致的整機報廢。為了避免此問題引起的損失，所以其生產(chǎn)廠家只能選擇生產(chǎn)外置盤管熱泵水箱。 　　東貝太陽能公司自主創(chuàng)新的“防腐墻”專利技術(shù)（防腐專利號：201220394501.9），是在承壓水箱中與水接觸的的零部件，如內(nèi)膽、水管、盤管等制作完成后，將與水接觸的表面進行鈍化處理。鈍化是提高不銹鋼材料防腐性能的關(guān)鍵，最終形成一層致密的、均勻的含鉻的鈍化膜，這層保護膜完全覆蓋金屬的表面。 　　  下面是未經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼板與經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼板的對比試驗： 　　試驗一： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過鈍化處理，另外一件未作鈍化的樣品分別放入5%的鹽水和清水中。 　　結(jié)果：經(jīng)過兩個月浸泡后觀察，經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼板在濃度為5%的鹽水中，基本沒有出現(xiàn)銹蝕。而沒有經(jīng)過防腐處理的SUS304不銹鋼板在清水中出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕。 　　說明：水質(zhì)再差的地區(qū)如西北、華北等地其水質(zhì)（水中氯離子含量）也比濃度為5%的鹽水（NaCl溶液）要好。 　　試驗二： 　　取兩塊相同的經(jīng)過自動氬弧焊接的SUS304不銹鋼板材，一件經(jīng)過防腐處理，另外一件未經(jīng)過防腐處理的樣品放入5%的鹽水鹽霧試驗箱內(nèi)進行鹽霧試驗，歷時：16h（見表1）。 　　表1    鹽霧試驗 　　試驗一中，圖2的工件未經(jīng)過鈍化防腐處理，盡管SUS304不銹鋼材料具有防腐性能，在空氣中也能自然生成Cr2O3保護膜，Cr2O3保護膜對于點蝕和縫隙腐蝕的發(fā)展能起到阻滯的作用。但是對于經(jīng)過切割、冷作，特別是焊接熱處理過的不銹鋼材料，其保護膜被破壞、也不完整和不均勻，由于水中含有Cl-，在正常的使用中就會出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化腐蝕。而試驗一圖1是應(yīng)用了東貝太陽能公司自主創(chuàng)新的“防腐墻”專利技術(shù)，沒有出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。   　　四、完美的品質(zhì)來自于48年的管理和制造基因 　　東貝太陽能作為東貝集團旗下的子公司，傳承了東貝集團48年的制造和管理基因，擁有強大的研發(fā)團隊，針對新能源（熱泵、太陽能、暖通等）各個領(lǐng)域的需求，研制開發(fā)了多款不同種類的水箱產(chǎn)品。 　　東貝太陽能公司近10年的不銹鋼承壓水箱制造經(jīng)驗，已經(jīng)擁有先進的生產(chǎn)設(shè)備。這款內(nèi)置盤管熱泵水箱整合了公司多項技術(shù)，包括不銹鋼焊接和防腐技術(shù)，同時應(yīng)用了“防腐墻”特護內(nèi)膽技術(shù)。 　　東貝太陽能憑借其領(lǐng)先的不銹鋼專業(yè)技術(shù)，9年市場零返還率的品質(zhì)及完善的售后服務(wù)，博得了廣大消費者的好評。在熱泵行業(yè)、太陽能行業(yè)，暖通行業(yè)，東貝太陽能的熱泵承壓水箱已經(jīng)成為部分客戶的指定產(chǎn)品。